M05 - Fotovoltaico. Franco Bua franco.bua@ecd.it

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1 M05 - Fotovoltaico LPQI is a member of Leonardo Energy LPQI has been co-financed by Franco Bua franco.bua@ecd.it Impianti di produzione e distribuzione dell'energia INGEGNERIA DEI SISTEMI E DEI SERVIZI PER IL TERRITORIO E PER L AMBIENTE A.A. 2007/2008 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PAVIA - SEDE DI MANTOVA

2 Sommario Alcuni dati (interessanti?) La radiazione solare L effetto fotovoltaico Gli impianti FV Il conto energia (2007)

3 Impianti fotovoltaici nel mondo

4 Il mercato del fotovoltaico

5 Distribuzione potenza installata

6 La radiazione solare Definizioni Irraggiamento solare (W/m 2 ) Intensità della radiazione elettromagnetica solare incidente su una superficie di area unitaria. Tale intensità è pari all integrale della potenza associata a ciascun valore di frequenza dello spettro solare Radiazione solare (kwh/m 2 ) Integrale dell irraggiamento solare, su un periodo di tempo specificato Radiazione solare globale Somma delle varie componenti Globale = diretta + diffusa + riflessa

7 La radiazione solare

8 Dati di radiazione solare UNI Riscaldamento e raffrescamento degli edifici Dati climatici (Aprile 1994) Fornisce i dati climatici giornalieri medi mensili (temperatura ambiente, ventosità e irraggiamento solare) dei capoluoghi di provincia italiani Regioni di vento

9 Dati di radiazione solare UNI 8477 Energia solare - Calcolo degli apporti per applicazioni in edilizia - Valutazione dell energia raggiante ricevuta (Maggio 1983) Indica un metodo per il calcolo della radiazione solare su un piano comunque inclinato (β) e orientato (γ) rispetto al SUD. SUD γ β Il calcolo si basa sui dati giornalieri medi mensili della radiazione solare sul piano orizzontale (componente diretta e diffusa), relativi ai capoluoghi di provincia italiani (UNI 10349)

10 Dati di radiazione solare Atlante Solare Europeo Radiazione solare sul piano orizzontale [kwh/m 2 ]

11 Produzione tipica da FV Località Energia solare annua su superficie orizzontale Energia solare annua su superficie rivolta a Sud e inclinata di 30 Produzione elettrica attesa con un rendimento medio di impianto pari a 75% [kwh/m 2 ] [kwh/m 2 ] [kwh/kwp] Milano Roma Messina

12 L effetto fotovoltaico

13 L effetto fotovoltaico La giunzione P-N è realizzata ponendo a contatto due cristalli, uno dei quali contiene atomi trivalenti (ad es. di Boro), mentre l altro contiene atomi pentavalenti (ad es. Fosforo) Il cristallo P, contenente gli atomi P trivalenti presenta nel reticolo delle lacune, cioè degli elettroni mancanti, mentre quello N, contenente gli atomi pentavalenti, presenta degli elettroni in più Lacune ed elettroni sono liberi di muoversi nel reticolo N

14 L effetto fotovoltaico Il contatto dei due cristalli fa fluire gli elettroni in più del cristallo N verso il cristallo P, formando una regione, detta di carica spaziale, nella quale le lacune sono colmate dagli elettroni Il processo si ferma quando il campo elettrico che si genera controbilancia il moto di diffusione La giunzione è quindi polarizzata

15 L effetto fotovoltaico La radiazione luminosa, purché di energia sufficiente, libera in tutto il cristallo delle coppie elettrone/lacuna In presenza del campo elettrico creato dalla giunzione, gli elettroni sono attirati verso la zona N (caricata positivamente) e le lacune verso la zona P (caricata negativamente) Questo moto di cariche è all origine della generazione elettrica fotovoltaica

16 Celle fotovoltaiche Le celle fotovoltaiche possono essere costituite da wafer di silicio o essere a film sottile e realizzate con vari materiali, tra i quali: Silicio amorfo CIS (Copper-Indium Diselenide) CIGS (Copper-Indium-Gallium Diselenide) CdTe (Telloruro di Cadmio) Celle a eterogiunzione...

17 Celle fotovoltaiche Le celle monocristalline sono ricavate da un unico cristallo di sezione circolare Le celle policristalline derivano dalla fusione e solidificazione del silicio in un crogiolo di quarzo Sulla parte posteriore (di tipo P) è applicato un contatto esteso quanto la superficie della cella Sulla parte anteriore (di tipo N) il contatto è formato da sottili deposizioni di argento dette rebbi

18 Celle fotovoltaiche Le caratteristiche nominali dei dispositivi fotovoltaici sono misurate in Condizioni di prova normalizzate o STC (Standard Test Conditions): Irraggiamento = 1000 W/m 2 con distribuzione spettrale di riferimento (massa d aria AM 1.5) Temperatura di cella = 25 C ±2 C Curve AM 0 e AM 1,5 UV Visibile Infrarosso 2000,0 AM 0 AM 1,5 1500,0 W/m2 micron 1000,0 500,0 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Lunghezza d'onda (micron)

19 Celle fotovoltaiche La curva tensionecorrente di una cella fotovoltaica irraggiata non è lineare ed è definita da: I Pmax = corrente nel punto di massima potenza V Pmax = tensione nel punto di massima potenza I SC = corrente di cortocircuito V OC = tensione a circuito aperto

20 Celle fotovoltaiche La potenza erogata da una cella fotovoltaica presenta un massimo in corrispondenza di I Pmax e V Pmax In corrispondenza di I SC e V OC la potenza erogata è pari a zero Il Fattore di riempimento o Fill Factor (FF) è un utile parametro per valutare l efficienza di una cella, essendo questa tanto maggiore quanto il FF si avvicina a 1 FF V = P max P max V OC I I SC

21 Celle fotovoltaiche Al variare dell irraggiamento la curva I-V della cella si modifica I SC e I Pmax variano all incirca proporzionalmente con la radiazione incidente V Pmax e V OC subiscono delle variazioni molto minori

22 Celle fotovoltaiche All aumentare della temperatura, aumentano leggermente I SC e I Pmax V Pmax e V OC invece diminuiscono significativamente, all incirca di -2,3 mv/ C

23 Celle fotovoltaiche Esiste un limite fisico all efficienza di una cella L aveva già detto Einstein!

24 Celle fotovoltaiche Bilancio energetico di una cella

25 Celle fotovoltaiche Cella, modulo, stringa, campo fotovoltaico

26 Celle fotovoltaiche

27 Celle fotovoltaiche

28 Tipi di moduli

29 I moduli fotovoltaici: costruzione, caratteristiche, esempi Descrizione Potenza nominale o di picco Acronimo e unità di misura P max [W], [Wp] Valori tipici Tolleranza sulla potenza nominale % ±3%, ±5%, ±10% Tensione nel punto di massima potenza V Pmax [V] V per 36 celle in serie V per 72 celle in serie Tensione a circuito aperto V OC [V] V per 36 celle in serie V per 72 celle in serie Corrente nel punto di massima potenza I Pmax [A] - Corrente di cortocircuito I SC [A] - Variazione della tensione con la temperatura C T [mv/ C] mv/ C per 36 celle in serie mv/ C per 72 celle in serie Temperatura nominale di lavoro di cella NOCT [ C] C Tensione massima di sistema V max [V] 600 V, 800 V, 1000 V

30 Energia solare - Tecnologie

31 Impianti fotovoltaici Scelta della tecnologia dei moduli Spazio disponibile Tipo di intervento (solo impianto o impianto + copertura) Orientamento Energy payback?

32 Impianti fotovoltaici Caratteristiche principali dei moduli Potenza di picco Rendimento Tensione a vuoto Corrente di corto circuito Tensione al punto di massima potenza Corrente al punto di massima potenza Variazione della tensione a vuoto con la temperatura Variazione della corrente di corto circuito con la temperatura Variazione della potenza nominale con la temperatura Temperatura nominale di lavoro della cella (NOCT)

33 Impianti fotovoltaici Impianti isolati

34 Impianti fotovoltaici Dimensionamento di impianti isolati Obiettivo: coprire il fabbisogno energetico dell utenza Analisi del diagramma di carico dell utenza Calcolo dell energia solare giornaliera disponibile (ci si riferisce al periodo più sfavorevole) Verifica dell orientamento dello spazio disponibile Scelta dei moduli (tecnologia) Dimensionamento dei moduli Dimensionamento delle batterie Dimensionamento dell inverter

35 Impianti fotovoltaici Impianti connessi alla rete

36 Impianti fotovoltaici Dimensionamento di impianti connessi alla rete: scambio sul posto Obiettivo: coprire il fabbisogno energetico dell utenza Analisi dell assorbimento annuale di energia elettrica dell utenza (meglio su 3 anni) Calcolo dell energia solare media annuale disponibile Verifica dell orientamento dello spazio disponibile Scelta dei moduli (tecnologia) Dimensionamento dei moduli Dimensionamento dell inverter Dimensionamento delle protezioni

37 Impianti fotovoltaici Dimensionamento di impianti connessi alla rete: scambio sul posto (conto energia) Lo scambio sul posto premia l autoconsumo L energia prodotta in eccesso e non utilizzata viene persa dopo 3 anni Il dimensionamento dell impianto è mirato a chiudere a zero il bilancio energetico triennale E buona norma tener conto del calo di prestazioni dei moduli e dell incremento del fabbisogno dell utenza

38 Impianti fotovoltaici Dimensionamento di impianti connessi alla rete: cessione Obiettivo: installare la massima potenza nello spazio disponibile (in relazione all entità dell investimento) Calcolo dell energia solare media annuale disponibile Verifica dell orientamento dello spazio disponibile Scelta dei moduli (tecnologia) Dimensionamento dei moduli Dimensionamento dell inverter

39 Impianti fotovoltaici Campo fotovoltaico 93% 99% 3% 1% 83% 17% Efficienza d impianto: 75% circa Il campo fotovoltaico deve essere dimensionato di conseguenza

40 Impianti fotovoltaici Inverter Il dimensionamento dell inverter viene eseguito di concerto con la composizione del campo fotovoltaico

41 Impianti fotovoltaici Inverter Scelta del numero di moduli da collegare in serie per stringa (tensione a vuoto alla temperatura minima) Range di tensione in ingresso all inverter Scelta del numero di stringhe da collegare in parallelo Range di corrente in ingresso all inverter

42 Impianti fotovoltaici Inverter Ingressi stringhe collegati tra loro in parallelo internamente (stringhe con medesima esposizione al sole) Multistringa, con due o più inseguitori separati (stringhe con esposizione al sole non omogenea) Gli inverter dissipano energia sotto forma di calore, vanno installati in luoghi ventilati o raffrescati

43 Impianti fotovoltaici Cavi E necessario utilizzare per le linee esposte ai raggi del sole cavi con guaine resistenti agli UVA La sezione deve essere tale da minimizzare le cadute di tensione (maggior riguardo del solito!)

44 Impianti fotovoltaici Protezioni Di interfaccia (DK5940) integrate nell inverter (anti islanding) oppure esterne Contro i contatti indiretti differenziali classe A o B Di stringa fusibilli, diodi Contro le sovratensioni da scarica atmosferica (SPD)

45 Impianti fotovoltaici Supervisione

46 Impianti fotovoltaici Strutture Non sono un elemento secondario, anzi! A loro è affidata la sorte di migliaia di euro di investimento collocati alle intemperie Devono garantire il giusto orientamento del campo Devono reggere alle sollecitazioni ambientali (vento, neve, salsedine, ) Devono essere il più possibile esenti da manutenzione per almeno 20 anni

47 Impianti fotovoltaici Strutture

48 Impianti fotovoltaici Strutture

49 Impianti fotovoltaici Sottocoperture (impianti integrati) Devono garantire la tenuta per almeno 20 anni Attenzione alle coppie galvaniche

50 Esempio di calcolo della potenza di picco dell impianto Villetta tipo (4 persone) Energia annualmente impiegata: 3800 kwh Tipo: Si cristallino Interconnesso: SI Energia annualmente producibile nella località: 1200 kwh per kwp installato Rendimento impianto (componente a valle del campo): 75% Energia che il campo fotovoltaico deve produrre annualmente: 3800/0,75 = 5066 kwh Potenza di picco dell impianto: 5066/1200 = 4,2 kwp Sup. occupata: 34 m2 Vita garantita: 20 anni Vita probabile: anni

51 Incentivazione Nuovo decreto 2007 Il decreto 19 febbraio 2007 Lo scambio sul posto Ritiro EE da fonti rinnovabili I collegamento alla rete del distributore (DK 5490)

52 Riferimenti F. Fanelli, Sistemi di generazione fotovoltaica collegati alle reti elettriche di MT e BT, CONVEGNO ISTITUZIONALE CEI Roma - 17 aprile 2007 Ton van der Wekken Photovoltaic Installations, Leonardo Energy Webinar,, 9 may B. Anderson, Energia Solare Manuale di Progettazione, Franco Muzzio e C Editore, Padova 1980 F. Groppi, Il fotovoltaico per tutti, Editoriale Delfino; S. Castello (ENEA): Aspetti tecnici ed economici della tecnologia fotovoltaica ; S. Castello, F De Lia (ENEA): Il fotovoltaico ; Norma Enel DK5940 Criteri di allacciamento di impianti di produzione alla rete BT di ENEL distribuzione, aprile 2007